高中物理 第3章 原子核與放射性 第2節(jié) 原子核衰變及半衰期教師用書 魯科版選修3-5

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第2節(jié)　原子核衰變及半衰期 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.知道什么是放射性及放射性元素．(重點) 2．知道三種射線的本質和特性．(重點、難點) 3．知道原子核的衰變和衰變規(guī)律．(重點) 4．知道什么是半衰期．(重點) 天然放射現象的發(fā)現及放射線的本質 [先填空] 1．天然放射現象的發(fā)現 (1)天然放射現象：物質能自發(fā)地放出射線的現象． (2)放射性：物質放出射線的性質，叫做放射性． (3)放射性元素：具有放射性的元素，叫做放射性元素． (4)天然放射現象的發(fā)現：1896年，法國物理學家貝可勒爾發(fā)現了天然放射現象． 2．放射線的本質 (1)如圖321所示，讓放射線通過強磁場，在磁場的作用下，放射線能分成3束，這表明有3種射線，且它們電性不同．帶正電的射線向左偏轉，為α射線；帶負電的射線向右偏轉，為β射線；不發(fā)生偏轉的射線不帶電，為γ射線． 圖321 (2)α射線是高速運動的氦原子核粒子流，有很強的電離作用，但是穿透能力很弱．一張鋁箔或一張薄紙就能將它擋住． (3)β射線是高速運動的電子，穿透能力較強，但電離作用較弱．能穿透幾毫米厚的鋁板． (4)γ射線是波長很短的電磁波，穿透能力很強，但電離作用很弱．能穿透幾厘米的鉛板． [再判斷] 1．放射性元素發(fā)出的射線可以直接觀察到．() 2．放射性元素發(fā)出的射線的強度可以人工控制．() 3．α射線的穿透本領最強，電離作用很弱．() [后思考] 天然放射現象說明了什么？ 【提示】　天然放射現象說明了原子核具有復雜的內部結構． [核心點擊] 1．三種射線的比較如下表 種類 α射線 β射線 γ射線 組成 高速氦核流 高速電子流 光子流 (高頻電磁波) 帶電荷量 2e －e 0 質量 4mp mp＝1.67 10－27 kg 靜止質 量為零 速度 0.1c 0.9c c 在電場或 磁場中 偏轉 與α射線 反向偏轉 不偏轉 貫穿本領 最弱 用紙能 擋住 較強 穿透幾毫 米的鋁板 最強 穿透幾厘 米的鉛板 對空氣的 電離作用 很強 較弱 很弱 在空氣中 的徑跡 粗、短、直 細、較長、曲折 最長 通過膠片 感光 感光 感光 2.三種射線在電場和磁場中的偏轉 (1)在勻強電場中，γ射線不發(fā)生偏轉，做勻速直線運動，α粒子和β粒子沿相反方向做類平拋運動，在同樣的條件下，β粒子的偏移大，如圖322所示． 圖322 位移x可表示為x＝at2＝2∝ 所以，在同樣條件下β粒子與α粒子偏移之比為＝＝37. (2)在勻強磁場中：γ射線不發(fā)生偏轉，仍做勻速直線運動，α粒子和β粒子沿相反方向做勻速圓周運動，且在同樣條件下，β粒子的軌道半徑小，如圖323所示． 圖323 根據qvB＝得　R＝∝ 所以，在同樣條件下β粒子與α粒子的軌道半徑之比為＝＝. 1．關于天然放射現象，下列說法正確的是(　　) A．α射線是由氦原子核組成的 B．β射線的穿透能力最強 C．γ射線是波長很短的電磁波 D．γ射線的電離作用最強 E．β射線本質是高速電子流 【解析】　α射線本質是氦核，A正確；β射線本質是高速電子流，E正確；γ射線是波長很短的電磁波，C正確；α射線的電離作用最強，γ射線的穿透能力最強，B、D錯誤． 【答案】　ACE 2．一置于鉛盒中的放射源發(fā)射出的α、β和γ射線，由鉛盒的小孔射出，在小孔外放一鋁箔，鋁箔后的空間有一勻強電場．進入電場后，射線變?yōu)閍、b兩束，射線a沿原來方向行進，射線b發(fā)生了偏轉，如圖324所示，則圖中的射線a為________射線，射線b為________射線． 圖324 【解析】　在三種射線中，α射線帶正電，穿透能力最弱，γ射線不帶電，穿透能力最強，β射線帶負電，穿透能力一般，綜上所述，結合題意可知，a射線應為γ射線，b射線應為β射線． 【答案】　γ　β 3．將α、β、γ三種射線分別射入勻強磁場和勻強電場，圖中表示射線偏轉情況正確的是(　　) 【解析】　已知α粒子帶正電，β粒子帶負電，γ射線不帶電，根據正、負電荷在磁場中運動受洛倫茲力方向和正、負電荷在電場中受電場力方向可知，A、B、C、D四幅圖中α、β粒子的偏轉方向都是正確的，但偏轉的程度需進一步判斷．帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動，其半徑r＝， 將數據代入，則α粒子與β粒子的半徑之比 ＝＝＝371，A對，B錯；帶電粒子垂直進入勻強電場，設初速度為v0，垂直電場線方向位移為x，沿電場線方向位移為y，則有x＝v0t，y＝t2，消去t可得y＝ 對某一確定的x值，α、β粒子沿電場線偏轉距離之比 ＝＝＝，C錯，D對．選項E中，若α粒子不發(fā)生偏轉，則有Bvαq＝Eq，此時因β粒子的速度大些，有Bvβq>Eq，電子將向右偏轉，故E正確． 【答案】　ADE 判斷三種射線性質的方法 (1)射線的電性：α射線帶正電、β射線帶負電、γ射線不帶電．α、β是實物粒子，而γ射線是光子流，它是波長很短的電磁波． (2)射線的偏轉：在電場或磁場中，通過其受力及運動軌跡半徑的大小來判斷α和β射線偏轉方向，由于γ射線不帶電，故運動軌跡仍為直線． (3)射線的穿透能力：α粒子穿透能力較弱，β粒子穿透能力較強，γ射線穿透能力最強，而電離作用相反． 原 子 核 的 衰 變 [先填空] 1．衰變：原子核由于放出α射線或β射線而轉變?yōu)樾潞说淖兓? 2．衰變形式：常見的衰變有兩種，放出α粒子的衰變?yōu)棣了プ?，放出β粒子的衰變?yōu)棣滤プ儯蒙渚€是伴隨α射線或β射線產生的． 3．衰變規(guī)律 (1)α衰變：X→He＋Y. (2)β衰變：X→e＋Y. 在衰變過程中，電荷數和質量數都守恒． 4．衰變的快慢——半衰期 (1)放射性元素的原子核有半數發(fā)生衰變需要的時間叫做半衰期． (2)元素半衰期的長短由原子核自身因素決定，與原子所處的物理、化學狀態(tài)以及周圍環(huán)境、溫度無關． [再判斷] 1．原子核的衰變有α衰變、β衰變和γ衰變三種形式．() 2．在衰變過程中，電荷數、質量數守恒．(√) 3．原子所處的周圍環(huán)境溫度越高，衰變越快．() [后思考] 有10個鐳226原子核，經過一個半衰期有5個發(fā)生衰變，這樣理解對嗎？ 【提示】　不對.10個原子核數目太少，它們何時衰變是不可預測的，因為衰變規(guī)律是大量原子核的統(tǒng)計規(guī)律． [核心點擊] 1．衰變實質 α衰變：原子核內兩個質子和兩個中子結合成一個α粒子，并在一定條件下作為一個整體從較大的原子核中拋射出來，產生α衰變.2n＋2H―→He. β衰變：原子核內的一個中子變成一個質子留在原子核內，同時放出一個電子，即β粒子放射出來． n―→H＋e. 2．確定原子核衰變次數的方法與技巧 (1)方法：設放射性元素X經過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則衰變方程為： X―→Y＋nHe＋me 根據電荷數守恒和質量數守恒可列方程： A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m. 以上兩式聯立解得：n＝，m＝＋Z′－Z. 由此可見，確定衰變次數可歸結為解一個二元一次方程組． (2)技巧：為了確定衰變次數，一般先由質量數的改變確定α衰變的次數(這是因為β衰變的次數多少對質量數沒有影響)，然后根據衰變規(guī)律確定β衰變的次數． 3．對半衰期的理解 (1)意義：表示放射性元素衰變的快慢． (2)半衰期公式：n＝N，m＝M 式中N、M表示衰變前的原子數和質量，n、m表示衰變后的尚未發(fā)生衰變的原子數和質量，T1/2表示衰變時間，τ表示半衰期． 4．適用條件：半衰期是一個統(tǒng)計概念，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結，對于一個特定的原子核，無法確定其何時發(fā)生衰變，半衰期只適用于大量的原子核． 5．應用：利用半衰期非常穩(wěn)定的特點，可以測算其衰變過程，推算時間等． 4．某原子核的衰變過程ABC，下列說法正確的是(　　) 【導學號：18850042】 A．核C比核A的質子數少1 B．核C比核A的質量數少5 C．原子核為A的中性原子的電子數比原子核為B的中性原子的電子數多2 D．核C比核B的中子數少2 E．核C比核A的中子數少3 【解析】　原子核A經過一次β衰變和一次α衰變變?yōu)樵雍薈的衰變方程為：ABC，由此可知核C比核A的質子數少1，質量數少4，A正確，B錯誤；原子核為A的中性原子的電子數比原子核為B的中性原子的電子數少1，C錯誤；核C比核B的中子數少2，核C比核A的中子數少3，D、E均正確． 【答案】　ADE 5．由于放射性元素Np的半衰期很短，所以在自然界一直未被發(fā)現，只是在使用人工的方法制造后才被發(fā)現．已知Np經過一系列α衰變和β衰變后變成Bi，下列論斷中正確的是(　　) A.Bi的原子核比Np的原子核少28個中子 B.Bi的原子核比Np的原子核少18個中子 C．衰變過程中共發(fā)生了7次α衰變和4次β衰變 D．衰變過程中共發(fā)生了4次α衰變和7次β衰變 E．衰變過程中共有4個中子轉變?yōu)橘|子 【解析】　Bi的中子數為209－83＝126，Np的中子數為237－93＝144，Bi的原子核比Np的原子核少18個中子，A錯、B對；衰變過程中共發(fā)生了α衰變的次數為＝7次，β衰變的次數是27－(93－83)＝4次，C對、D錯，此過程中共發(fā)生了4次β衰變，因此共有4個中子轉變?yōu)橘|子，E正確． 【答案】　BCE 6．放射性同位素14C被考古學家稱為“碳鐘”，它可以用來判定古生物體的年代，此項研究獲得1960年諾貝爾化學獎． (1)宇宙射線中高能量的中子碰到空氣中的氮原子后，會形成不穩(wěn)定的C，它很容易發(fā)生衰變，放出β射線變成一個新核，其半衰期為5 730年，試寫出14C的衰變方程； (2)若測得一古生物遺骸中的C含量只有活體中的25%，則此遺骸距今約有多少年？ 【解析】　(1)C的β衰變方程為： C―→e＋N. (2)C的半衰期τ＝5 730年． 生物死亡后，遺骸中的C按其半衰期變化，設活體中C的含量為N0，遺骸中的C含量為N，則 N＝N0， 即0.25N0＝N0，故＝2，t＝11 460年． 【答案】　(1)C―→e＋N (2)11 460年 1．衰變過程遵循質量數守恒和電荷數守恒． (1)每發(fā)生一次α衰變質子數、中子數均減少2，質量數減少4. (2)每發(fā)生一次β衰變中子數減少1，質子數增加1，質量數不變． 2．利用半衰期公式解決實際問題，首先要理解半衰期的統(tǒng)計意義，其次要知道公式建立的是剩余核的質量與總質量間的關系．